切向涡流阵列技术检测碳钢表面裂纹

李 磊，牛广旭，王 伟

（甘肃省特种设备检验检测研究院，甘肃兰州 730050）

0 引言

在石油化工行业，碳钢材料制的承压类设备被广泛应用与各个领域。设备使用过程中，在设备表面不可避免地会产生疲劳裂纹或应力腐蚀裂纹，裂纹的存在严重影响到设备的安全使用。针对裂纹的检测，传统的检测方法有磁粉检测、渗透检测和常规涡流检测：磁粉和渗透检测对设备表面光洁度要求较高，需要进行涂层处理和表面清洁，工作量大且伴随风险，无法进行裂纹深度的测量，检测数据记录能力有限；常规涡流检测只能采用基础的阻抗图对信号进行分析，对检测人员的操作能力和信号分析能力要求较高，且无法对裂纹的深度进行测量。

1 切向涡流阵列技术原理

涡流阵列技术是在传统涡流技术的基础上发展起来的，传统的涡流技术是用单个涡流传感器实施检测，其关键部件是敏感线圈。涡流阵列是将多个敏感线圈以阵列形式布置，制作成一个传感器，针对不同的检测条件和技术指标，设计成不同的结构和形式，以实现复杂形面的检测。切向涡流的激励与接收线圈均垂直于检测面表面，线圈的绕制方向与检测表面相切，故名切向涡流（图1）。这种方式的线圈激励的磁场能够最大程度地渗透到铁磁性材料（主要是碳钢）表面以下，得到更好的检测灵敏度。相对于一般的表面涡流检测，涡流在线圈下方回旋流动形成漩涡，切向涡流的涡流场朝着一个方向平行传输，当局部的平行涡流场与表面开口裂纹相互作用产生可用于标定的信号。涡流经过一个开口裂纹时会在裂纹两端聚集且产生旋转（一次方向磁场产生），同时在经过裂纹的下端时也产生了涡流的聚集与反相流动，通过这些涡流局部特征信号，可以对裂纹的长度、深度在一定范围内进行准确测量。

图1 切向涡流线圈排布原理

2 切向涡流阵列技术应用研究

碳钢材料制承压类设备在使用过程中，最容易出现的缺陷是疲劳裂纹和应力腐蚀裂纹，技术人员在现场利用磁粉检测的过程中实际检测到的缺陷，与切向阵列涡流检测结果进行了比对，检测结果能够一一对应。

2.1 疲劳裂纹检测结果比对

对某石化公司一台换热器进行检测时在焊趾部位发现一条裂纹（图2 C区），裂纹长度约为16 mm，对此区域利用切向阵列涡流技术进行检测，在涡流成像结果中（图2 A区）可明显看到一红色条状显示（原始画面为彩图），红色显示出现的位置与磁粉检测发现裂纹的位置重叠，分析右侧阻抗图（图2 D区）的显示结果，呈现裂纹特征。读取图1右下角的涡流测量结果，该裂纹长16.8 mm、深1.7 mm。后期对该裂纹进行了打磨消除，打磨深度约2 mm时裂纹消除。

图2 疲劳裂纹比对

2.2 应力腐蚀裂纹检测结果比对

某石化公司检修期间，发现某条管道表面应力腐蚀裂纹群（图3 A区），技术人员利用磁粉检测技术和切向阵列涡流检测技术同时对裂纹群进行检测（图3中的B区、C区），对比两幅图可以看出，磁粉检测所显示的裂纹群位置与涡流阵列检测C扫成像结果基本一致。在C扫描图中，技术人员选取了C扫结果呈现红色的区域，并与磁粉检测形成的磁痕一一进行对位，共选出7处缺陷位置进行坐标标识，在裂纹打磨消除后对各个位置进行测量，打磨深度与涡流测厚深度也基本一致。

图3 应力腐蚀裂纹比对

以上是在实际检测过程中对疲劳裂纹和应力腐蚀裂纹的检测结果比对分析，切向涡流阵列技术通过C扫描成像技术，可直观地得到扫查区域的C扫图，对已发现的缺陷可得到与磁粉检测一致的结果检测结果。通过与厂家技术人员的沟通可知，切向涡流技术的检测精度一般设计能达到检测0.5 mm深、2 mm长的表面开口裂纹，此精度基本上与传统的人工磁粉检测的检测精度持平。

3 切线阵列涡流技术特点

（1）这项技术是专门为铁磁性材料表面检测设计的，主要针对碳钢，且只能检测开口裂纹。

（2）能够检测和测量纵向（沿检测扫查方向）裂纹的长度、深度，能够检测出横向（垂直与扫查方向）裂纹。检测出横向裂纹后，需要横向扫查确定其长度与深度。

（3）通过独特的探头设计可以自动适应有焊缝余高的不平整表面，一次性对热影响区、焊趾、焊缝余高进行全覆盖检测。

（4）可以支持2～3 mm的提离变化，在无需去除表面涂层油漆前提下，可对焊缝、母材实施检测。

（5）检测结果以C扫描图像显示，方便进行数据分析，探头可根据检测对象的不同设计成各种形状配合检测。

4 总结

切向阵列涡流技术作为一种新检测技术，虽然还存在一定局限性，例如只能检测碳钢材料、只能检测表面缺陷，但是在某些特定条件下，它有着其他检测技术无法具有的优势，例如无需去除表面涂层、可测量裂纹深度等。它为检验检测人员提供了一种新的技术手段，为设备的安全运行提供了技术保障。